(57)【要約】【課題】      生成水の利用効率を向上させることが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質層１、電解質層１の両側に設けられるカソード１０及びアノード２０、並びに、カソード１０及びアノード２０の外側に配設されるセパレータ３０、４０、を備え、カソード１０及びアノード２０は、触媒層１１、２１とガス拡散層１２、２２とを備えるとともに、少なくともカソード側のセパレータ３０は、緻密材で構成される緻密部３１と、多孔質材で構成される多孔質部３２とを備え、カソード側のセパレータ３０における多孔質部３２には、カソードのガス拡散層１２へと供給される前のガスが流れるべき流通溝３７、３７、…が形成されるとともに、流通溝３７、３７、…を流通後のガスが、カソードのガス拡散層１２へと供給される燃料電池であって、多孔質部３２に当接するカソードのガス拡散層１７の少なくとも一部が、緻密部３１に当接するカソードのガス拡散層１６よりも優れた水分保持性能を有する、燃料電池１００とする。【選択図】    図１
2006004696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層、前記電解質層の両側に設けられるアノード及びカソード、並びに、前記アノード及び前記カソードの外側に設けられるセパレータ、を備え、
前記アノード及び前記カソードは、触媒層とガス拡散層とを備えるとともに、
少なくとも前記カソード側のセパレータは、緻密材で構成される緻密部と、多孔質材で構成される多孔質部とを備え、
前記カソード側のセパレータにおける前記多孔質部には、前記カソードのガス拡散層へと供給される前のガスが流れるべき流通溝が形成されるとともに、
前記流通溝を流通後のガスが、前記カソードのガス拡散層へと供給される燃料電池であって、
前記多孔質部に当接する前記ガス拡散層の少なくとも一部における水分保持性能が、前記緻密部に当接する前記ガス拡散層における水分保持性能よりも高いことを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記多孔質部に当接する前記ガス拡散層の少なくとも一部における撥水性が、前記緻密部に当接する前記ガス拡散層における撥水性よりも低いことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、生成水の利用効率を向上させることが可能な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、各種の燃料電池の中でも、低温領域での運転が可能であるとともに、５０〜６０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の最適な動力源として注目されている。このＰＥＦＣの電解質は、陽イオン交換樹脂膜を、カチオン伝導性膜として使用するものである。この伝導性膜は、分子中にプロトン（水素イオン（Ｈ＋））交換基を有しており、これを飽和状態に含水させることにより、常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示し、プロトン伝導性電解質として機能している。そして、この電解質膜の飽和含水量は、温度によって可逆的に変化する。すなわち、ＰＥＦＣの運転中においては、電解質膜からの蒸散を防止するために燃料ガス中および酸化ガス中に水蒸気の形で添加された加湿水と、カソード側における電気化学反応によって生成される水とによって常に飽和状態が維持される。
【０００３】
ところが、カソード側において生成される水が増加するか、あるいは燃料ガスおよび酸化ガスが消費されて残留ガス中の水蒸気が過飽和となって水が凝結して、水の供給が過剰となると、この電解質膜が水浸しとなり、いわゆる「フラッディング」状態となる。このフラッディングが発生すると、セル内のガス接触面積が減少し、更にはカソードへの酸素ガスの供給が阻害されて、ＰＥＦＣの発生電圧が低下する。この電圧低下は、ＰＥＦＣの効率の低下に繋がるため、ＰＥＦＣの高いエネルギー変換効率を維持するためには、フラッディングを抑制することが重要である。
【０００４】
フラッディングを抑制するとともに、ＰＥＦＣの効率を高めることを目的とした技術が、これまでにいくつか提案されてきている。例えば、特許文献１には、酸化ガスの流入口と流出口とを隣接して配置するとともに、これらの流入口及び流出口の間に多孔質材を配置し、燃料電池内で生成された水の利用効率を向上させることで、フラッディングの抑制を図る技術が、開示されている。このほか、多孔質材により構成される多孔質部におけるガス流速を低下させることにより生成水の利用効率を高める技術や、多孔質部に形成されている流路の凸部に当接する拡散層表層部の親水性を他の部分よりも高める技術も存在する。
【特許文献１】特開２００３−１０９６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示されている技術では、生成水の利用効率に改善の余地があり、フラッディングを抑制し難いという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、生成水の利用効率を向上させることが可能な燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質層、当該電解質層の両側に設けられるアノード及びカソード、並びに、当該アノード及びカソードの外側に設けられるセパレータ、を備え、アノード及びカソードは、触媒層とガス拡散層とを備えるとともに、少なくともカソード側のセパレータは、緻密材で構成される緻密部と、多孔質材で構成される多孔質部とを備え、カソード側のセパレータにおける多孔質部には、カソードのガス拡散層へと供給される前のガスが流れるべき流通溝が形成されるとともに、流通溝を流通後のガスが、カソードのガス拡散層へと供給される燃料電池であって、多孔質部に当接するガス拡散層の少なくとも一部における水分保持性能が、緻密部に当接するガス拡散層における水分保持性能よりも高いことを特徴とする、燃料電池である。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池であって、多孔質部に当接するガス拡散層の少なくとも一部における撥水性が、緻密部に当接するガス拡散層における撥水性よりも低いことを特徴とする。
ここで、撥水性とは、ＪＩＳ  Ｒ３２５７（１９９９）「基板ガラス表面のぬれ性試験方法」に規定する方法により測定される接触角の大小により判断し得る性質をいい、当該接触角が小さいほど、撥水性が低い。接触角の概念図を、図２に示す。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、多孔質部に当接するガス拡散層の水分保持性能を高めることで、当該多孔質部を介して、カソードへと供給される前のガスを加湿することが可能になる。そのため、生成水の利用効率を向上させることで、フラッディングを抑制することが可能な燃料電池を提供できる。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、多孔質部に当接するガス拡散層に生成水を容易に保持させることができ、当該多孔質部を介して、カソードへ供給される前のガスを容易に加湿することができる。したがって、生成水の利用効率をより一層向上させることが可能になるため、フラッディングを抑制し得る燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の燃料電池は、電解質層、当該電解質層の両側に設けられるアノード及びカソード、並びに、当該アノード及びカソードの外側に設けられるセパレータを備えている。アノード並びにカソードは触媒層及びガス拡散層を備え、カソード側に配設されているセパレータは緻密材で構成される緻密部と多孔質材で形成された多孔質部とを備えている。そして、当該多孔質部には、カソードのガス拡散層へと供給される前のガスが流れるべき流通溝が形成されており、当該流通溝を流通したガスが、カソードのガス拡散層へと供給される。一方、上記多孔質部に当接するカソードのガス拡散層は、上記緻密部に当接するカソードのガス拡散層よりも低い撥水性を有している。このような構成とすることで、カソード側において生成された水がセパレータの多孔質部へと移動しやすくなり、当該多孔質部へと移動した生成水を用いてカソードへと供給される前のガスを加湿することができる。かかる構成を有する燃料電池では、燃料電池内で生成された水により加湿されたガスがカソードのガス拡散層へと供給されるため、生成水の利用効率を向上させることができる。また、当該構成を有する燃料電池では、燃料電池内で生成された水がガスの加湿に利用されるため、フラッディングを抑制することができ、これに伴い発電性能の低下を抑制することができる。したがって、本発明によれば、生成水の利用効率を向上させてフラッディングを抑制することで、発電性能の低下を抑制することが可能な燃料電池を提供することができる。
【００１２】
図１に、本発明の燃料電池の断面図を概略的に示す。本発明の燃料電池１００は、電解質層１と、当該層１の両側に配置されるカソード１０及びアノード２０と、を含むＭＥＡ５、並びに、当該ＭＥＡ５の両側に配置されるセパレータ３０、４０を備えるセル５０、５０を有し、カソード１０及びアノード２０は、それぞれ、触媒層１１、２１及びガス拡散層１２、２２を有している。カソード１０側に配置されているセパレータ３０は、緻密材により構成される緻密部３１と多孔質材により構成される多孔質部３２とを有している。また、セパレータ３０には、溝３６、３６、…、及び、溝３７、３７、…、が形成されており、溝３６、３６、…には冷媒としてのエチレングリコール水溶液が流通されるとともに、溝３７、３７、…には冷媒としての空気が流通され、これらのエチレングリコール及び空気によりセパレータ３０、４０が冷却されることで、燃料電池１００が冷却される。加えて、セパレータ３０には、ガスケット用の溝３８、３８、３８が形成されている。
なお、図１において、紙面の左右方向がＭＥＡの面の法線方向である
【００１３】
本発明の燃料電池１００の使用時には、溝３７、３７、…を通った空気がカソードのガス拡散層１２へと供給される。ここで、カソードのガス拡散層１２において、上記多孔質部３２に当接している部位１７は、上記緻密部３１に当接している部位１６よりも高い水分保持性能を有している。そして、拡散層１２へと供給される空気は、上記部位１６から、上記部位１７の方へと流れている。そのため、拡散層１２内の水は、ガス流路の下流に位置するとともに上記部位１６よりも高い水分保持性能を有する上記部位１７に溜まりやすく、当該部位１７に溜まった水は、部位１７に当接しているセパレータの多孔質部３２を介して、溝３７、３７、…を通る空気を加湿する。したがって、燃料電池１００をこのような構成にすることで、セル（以下において、燃料電池内において電気化学反応が起こる部位を含む、一対のセパレータにより挟まれる部位を「セル」と記述し、当該セルを、「燃料電池」と記載することがある。）内において生成された水により加湿された空気が拡散層１２へと供給されるため、セル内で生成された水の利用効率を向上させることができ、カソードにおけるガス流路入口のドライアップを抑制することができる。また、本発明の燃料電池１００では、セル内で生成された水がドライアップ抑制のために利用されるため、セル内のフラッディングを抑制することが可能な燃料電池とすることができる。
【００１４】
本発明において、セパレータの多孔質部３２に当接している拡散層の部位１７の水分保持性能を、セパレータの緻密部３１に当接している拡散層の部位１６の水分保持性能よりも高くする方法は、特に限定されるものではないが、上記部位１７の撥水性を上記部位１６の撥水性よりも低くすることで、部位１７の水分保持性能を部位１６の水分保持性能よりも高くすることが好ましい。ここで、上記部位１７の撥水性を上記部位１６の撥水性よりも低くする方法は、特に限定されるものではなく、例えば、拡散層１２に含侵させる撥水材の量に差を設ける方法等を挙げることができる。この場合、撥水材を多く含侵させた部位をセパレータの緻密部３１に当接すべき拡散層の部位１６とするとともに、撥水材を少なく含侵させた部位をセパレータの多孔質部３２に当接すべき拡散層の部位１７とすることが好ましい。なお、拡散層１２に含侵させる撥水材は、撥水性を発現し得る物質であれば特に限定されるものではなく、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体樹脂（ＦＥＰ）等に代表されるフッ素系の樹脂や、シリコン系の樹脂等を好適に使用することができる。
【００１５】
他方、本発明の燃料電池１００において、セパレータの多孔質部３２を構成すべき物質は、特に限定されず、例えば、ポーラスに形成されたカーボン、あるいはメッキ法、発泡法等により製造される発泡金属、あるいは焼結金属などを使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の燃料電池を概略的に示す図である。
【図２】接触角の概念図である。
【符号の説明】
【００１７】
１  電解質層
１０  カソード
１１、２１  触媒層
１２、２２  ガス拡散層
１６  水分保持性能が低いガス拡散層部位
１７  水分保持性能が高いガス拡散層部位
２０  アノード
３０、４０  セパレータ
３１  緻密部
３２  多孔質部
３６、３７、３８  溝
１００  燃料電池
【図１】
2006004696.tif 000003
【図２】
2006004696.tif 000004